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基于光滑整形技术的柔性堆垛起重机振动控制研究.pdf
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1、第55卷第4期2023年7 月智能物联技术Technology of IoT&AlVol.55,No.4Jul.,2023智能与算法基于光滑整形技术的柔性堆垛起重机振动控制研究丛旖文(中国电子科技南湖研究院,浙江嘉兴3140 0 2)摘要:柔性结构的振动增加了起重机系统的控制难度,特别是在系统参数难以准确估计和测量情况下,对起重机的柔性结构振动控制提出了更大挑战。本文针对具有柔性结构的堆垛起重机系统,提出了一种基于光滑整形技术的振动抑制控制方法。首先,利用模态叠加法建立了受柔性结构振动影响的堆垛起重机动力学模型,基于模型分析的频率估计器可以预测振动频率;然后,设计光滑整形指令抑制堆垛起重机柔性
2、枪杆的振动,该光滑器具有对高频振动和阻尼比不敏感的优异特性;最后,通过数值仿真验证了所提出的光滑整形振动控制方法比现有方法具有更有效的振动抑制性能和鲁棒性。关键词:振动控制;起重机系统;输人整形控制;柔性结构【中图分类号】TP183【文献标识码】A【文章编号】2 0 96-6 0 59(2 0 2 3)0 4-0 2 0-0 6Smooth Shaping Vibration Control for Flexible StackerCrane SystemCONG Yiwen(China Nanhu Academy of Electronics and Information Technolo
3、gy,Jiaxing 314002,China)Abstract:The vibration of flexible structure increases the difficulty of crane system control.Especially when the sys-tem parameters are difficult to estimate accurately,the vibration control of the flexible structure of the crane is more chal-lenging.In this paper,a vibratio
4、n suppression control method based on smooth shaping technology was proposed for stackercrane system with flexible structure.Firstly,a dynamic model of a stacker crane affected by the vibration of a flexiblestructure was established by means of modal superposition method.The frequency estimator base
5、d on model analysis couldpredict the first order vibration frequency.Then the smooth shaping command was used to suppress the vibration of theflexible mast of the stacker crane.The smoother had the excellent characteristic of insensitivity to high frequency vibrationand damping ratio.Finally,the num
6、erical simulation verified that the proposed smooth shaping vibration control method hadmore effective vibration suppression performance and robustness than the existing methods.Key words:vibration control;crane system;input shaping control;flexible structure榄杆变为柔性结构。在堆垛起重机运行过程中,台车的加速或减速会引起柔性枪杆振动和载荷
7、摆动。0引言堆垛起重机是一种被广泛应用于仓库、工厂、港口等场所的货物搬运工程装备叫。为了节约成本,提高经济效益,一般会减小堆垛起重机的枪杆自重。自重的减小可能导致枪杆的刚性降低,甚至使收稿日期:2 0 2 2-11-17作者简介:丛旖文(1996-),女,辽宁沈阳人,硕士研究生,研究方向:模式识别、人工智能、同时定位与建图。20柔性枪杆的不良振动不仅降低了堆垛起重机的定位精度,而且可能会对运动的货物和堆垛起重机造成严重损坏,进而引发安全生产事故。为提高堆垛起重机作业效率及安全性能,降低人力消耗,有必丛旖文:基于光滑整形技术的柔性堆垛起重机振动控制研究要设计一种对台车的自动控制方法,以减少枪杆的
8、振动和负载的摆动。起重机的运动控制在过去几十年里引起了国内外学者的广泛关注,并取得了一系列的研究成果。根据是否有状态反馈,现有的控制方法可分为闭环控制和开环控制。常见的起重机闭环控制方法有滑模控制3、自适应控制4、神经网络控制5和模糊逻辑控制等。闭环控制策略严重依赖于反馈的状态量,因此需要加装各类型的振动信号检测传感器,这就相应增加了经济成本。起重机作业工况复杂多变,也会影响传感器对状态量的测量精度,可能会造成较大的状态量反馈误差,进而影响控制性能。常见的起重机开环控制方法有轨迹规划控制7.8 、零振动(ZeroVibration,ZV)整形控制9、极不敏感整形控制和数字滤波控制叫等。开环控制
9、方法无需加装传感器来检测信号,更加适合起重机的作业工况。总体来看,目前针对起重机的动力学建模与运动控制问题研究,已经取得了一些进展,但是仍存在一些悬而未决的难点问题。如上述控制方法为了简化动力学模型,将起重机各部分结构等效为刚体,仅研究负载的摆动问题。而对于堆垛起重机系统,台车的运动、负载的摆动和柔性榄杆的振动各个运动状态量的关系是非线性且高度耦合的,具有柔性结构的堆垛起重机系统的动力学建模和振动抑制控制将更加具有挑战性。为此,本文利用模态叠加法建立柔性堆垛起重机动力学模型,基于光滑整形技术设计了一种振动抑制控制器,有效解决了堆垛起重机系统运行过程中柔性枪杆的振动问题。1柔性堆垛起重机动力学模
10、型图1所示为柔性堆垛起重机系统的动力学模型,相关系统参数如表1所示。由台车运动引起的柔性枪杆振动可以用模态叠加的方法来描述,柔性枪杆的振动挠度表示为2:+8w(y,t)=Zp:(y)qa(t)h=1其中:中(y)表示第k阶的模态函数,具体表示如下:bi(y)=cos(iy)-cosh(iy)+nisin(iy)-sinh(ly))(2)Y4负载m2X0轨道图1柔性堆垛起重机动力学模型Figure 1 Dynamic model of flexible stacking crane表1柔性堆垛起重机系统参数Table 1 System parameters of flexible stackin
11、g crane符号Mmim21WEPgcos(,l)+cosh(il)sin(il)+sinh(il)频率方程表述如下:(1)cos(ul)cosh(ul)=m2-ilsin(l)cosh(ul)-cos(il)sinh(il)(4)q(t)是与时间相关的函数:1i(0)+2;(0i(0)+0g(L)=-(t)Pkw(y.t)参数定义台车质量枪杆质量负载质量枪杆长度枪杆振动挠度台车位移杨氏模量枪杆截面惯性矩枪杆线质量密度台车控制输人重力加速度m杆m,1台车M单位kgkgkgmmmMPam4kg/mm/sm/s221(3)(5)(13)智能物联技术其中:s,分别表示第k阶阻尼比和自然频S(Wk,
12、si)=率;入h,P表示系数。Wk,入,的表达式为:1-0+80ELC(ok,5)=Wi=B:21(6)P入二Joydi(y)dyPi=/,b:(y)dy式(4)和(6)组合可作为频率估计器。结合式(1)和(5)求解并进行拉普拉斯变换,可以获得在位置处的杆振动挠度传递函数:+0中(y)入20,(s)=22光滑整形控制器设计光滑整形控制器是一种通过对输人的控制指令进行光滑整形,以驱动系统来实现抑制振动的方法3。使用光滑整形技术,可以有效抑制由台车运动引起的柔性枪杆振动。光滑整形控制器的振动抑制控制方案如图2 所示。5i=0光滑整形器u控制接口(21)图2 光滑整形控制方案Figure 2 Smo
13、oth shaping control scheme由式(9)可知,柔性堆垛起重机系统被等效为一个二阶振荡系统。在光滑指令u作用下,柔性枪杆振动的响应如下:+w(y,t)=2k=1-b:(y)入,u(T)-0P.V1-5?式(10)的振动幅值为:A;(y,t)=di(y)a.WiPiV1-5?VS(wh,si)P+C(Wk,sh)P其中:22u(T)etiorsin(;V1-tT)dr(12)u(T)etiorcos(wV1-5fT)dt=0(7)为了抑制枪杆的残余振动,式(12)和(13)应被限制为0。同时,为了提高光滑整形控制器对自(8)然频率和阻尼比的鲁棒性,式(12)和(13)对频率W
14、和阻尼比的导数也应被限制为0,相应表达式如下:+00Tu(T)etiaxrsin(wiV1-5?-)dt=0JT=0(9)+807=0Tu(T)etiacos(wiV1-5F)dt=0为了抑制高模振动,在2 倍设计频率处的残余振动以及相应地对频率W和阻尼比的导数都应被限制为0,即:+8u()e20rsin(2wiV1-5)dr=0T=0+8T=0u(T)e2iacos(20;V1-5F-)dt=0+8JT=0Tu(T)e2iorsin(2;V1-5?)dr=0+80Tu(T)e2ioNcos(2WV1-5F-)dT=0台车柔性杆mm,l,E,1.频率估计器(4)(6)2etia-sinlwiV
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